DGIST(대구경북과학기술원, 총장 국양) 로봇공학전공 최홍수 교수팀이 DGIST-ETH 마이크로로봇 연구센터 김진영 선임연구원, 가톨릭대학교 서울성모병원 김성원 교수팀과 공동연구를 통해 줄기세포 치료 효율과 안전성을 향상시킬 수 있는 ‘사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇 및 후각경로를 통한 최소 침습 뇌 내 치료제 전달방법’을 개발하는데 성공했다. 또한, 혈액-뇌 장벽(Blood-Brain Barrier)을 우회하는 후각경로를 통해 개발한 줄기세포 기반 마이크로로봇을 뇌에 생착시키는데도 성공했다. 

이번 공동연구 결과로 향후 알츠하이머병, 파킨슨병, 뇌종양 등 다양한 난치성 뇌-신경계 질환 치료에 새로운 희망과 가능성을 제시했다.  

▲ (왼쪽부터)DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수, 전성웅 박사 (사진출처=DGIST)

줄기세포 치료는 체내 깊숙한 곳의 환부나 치료가 위험한 신체부위에 정확한 양을 정확한 위치에 줄기세포를 전달하기 어려운 한계가 있다. 또한, 전달 도중 체내 유실되는 양이 많아 치료 효율성과 안전성이 낮고, 그에 비해 치료비용이 비싼 단점도 있다. 특히, 혈액을 통해 뇌 속으로 줄기세포를 전달할 때, 뇌혈관의 특수한 부분인 ‘혈액-뇌 장벽’ 때문에 세포전달 효율이 떨어지기도 한다.

공동 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 외부 자기장을 이용해 사람 몸속에서 자유자재로 제어가 가능한 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇을 개발했다.

이때 연구팀은 생체적합성이 높고 초상자성(Superparamagnetism)을 가지는 산화철 나노입자(Iron oxide nanoparticles)를 사람 코 하비갑개(좌우양쪽의 비강(鼻腔) 하외측에 있는 패각상(貝殼狀)을 나타내는 독립한 작은 뼈)에서 추출한 줄기세포에 내재화시켜 마이크로로봇을 제작했다. 
 

▲ 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇 제작 및 신경세포 분화 관련 (사진출처=DGIST)

사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇은 외부 회전 자기장에 의한 회전구름운동(Rolling motion)과 자기장 구배에 의한 병진운동(Translational motion)을 할 수 있어 체내 다양한 생리학적 환경에서 효율적으로 이동이 가능하다. 따라서 외부 자기장을 이용해 마이크로로봇을 미세유체채널 내에서 무선으로 제어, 목표지점까지 빠르고 정확하게 이송할 수 있다.  

연구결과 향후 뇌-신경계 질환 정밀 표적지향성 치료에 활용할 수 있을 것으로 기대되며, 줄기세포 치료에 새로운 패러다임을 제공해 기존 줄기세포 치료에 비해 치료효율과 안전성을 높이고 치료비용을 줄일 수 있을 것으로도 기대된다. 
 

▲ 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇의 배아 쥐(rat embryo) 마이크로 뇌 오가노이드 생착 체외 실험 (사진출처=DGIST)

또한, 연구팀은 새롭게 개발한 마이크로로봇의 안정적인 뇌 조직 생착 여부도 연구를 통해 검증했다. 특히, 연구팀은 세계 최초로 쥐의 혈액-뇌장벽을 우회한 후각경로를 통해 개발한 마이크로로봇을 주입, 외부에서 자기장을 이용해 뇌 조직 내 마이크로로봇을 이동시켜 대뇌 피질(Cerebral cortex)에 정밀하게 도달해 생착시키는데 성공했다. 
 

▲ 쥐의 후각경로로 뇌 내 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇 전달 및 이송 결과 (사진출처=DGIST)

DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수는 “이번 연구는 혈액-뇌 장벽 때문에 뇌 조직 내 치료제 전달이 어렵던 한계를 극복한 연구”라며, “후각경로를 통해 새롭게 개발한 사람유래 줄기세포 기반 자성 마이크로로봇을 이동시키기 때문에 줄기세포의 정밀하고 안전한 전달이 가능하다는 점에서 알츠하이머병, 파킨슨병, 뇌종양 등 다양한 난치성 신경계 질환 치료에 새로운 가능성을 열었다”고 말했다. 

이번 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부의, 보건복지부 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 국제과학학술지인 ‘Advanced Healthcare Materials (JCR IF 9.933, 분야상위 8.333%)’에 10월 6일(수) 게재됐다.

글. 김효정 기자 needhj@naver.com | 사진 및 자료출처 = DGIST(대구경북과학기술원)